無人機工作系統(tǒng)技術(shù)課件：無人機飛控系統(tǒng)

無人機飛控系統(tǒng)的認(rèn)知1.掌握無人機飛控是什么。2.學(xué)習(xí)飛控系統(tǒng)的組成部分。3.掌握飛控系統(tǒng)各部分的作用。4.思考飛控系統(tǒng)還可以包含什么？知識目標(biāo)什么是飛控系統(tǒng)？01

飛控系統(tǒng)是無人機完成起飛、空中飛行、執(zhí)行任務(wù)和返程等整個飛行過程的核心系統(tǒng)，能夠自主采集導(dǎo)航傳感器數(shù)據(jù)，自主完成數(shù)據(jù)融合、系統(tǒng)邏輯處理、飛行控制解算以及在線故障容錯處理，從而控制無人機自主或半自主飛行，相當(dāng)于無人機的大腦。什么是飛控系統(tǒng)？飛控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)處理執(zhí)行機構(gòu)伺服作動設(shè)備的作用是根據(jù)飛控計算機的指令，按規(guī)定的靜態(tài)和動態(tài)要求，通過對無人機各控制舵面和發(fā)動機節(jié)風(fēng)門的控制，實現(xiàn)對無人機的飛行控制。機載計算機負(fù)責(zé)整個無人機姿態(tài)的運算和判斷，為飛機任務(wù)系統(tǒng)提供高性能的計算機硬件資源和豐富的通信接口。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包含眾多的傳感器為無人機飛行提供各種數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)采集部分02數(shù)據(jù)采集部分?jǐn)?shù)據(jù)采集部分陀螺儀主要用來測量無人機在飛行過程中俯仰角、橫滾角和偏航角的角速度。加速度計測量的是飛行器某一方向上的線性加速度。磁力計（Magnetic、M-Sensor）也叫地磁、磁感器，可用于測試磁場強度和方向，定位設(shè)備的方位。氣壓高度計是一種利用外界大氣壓強來測量無人機飛行高度的傳感器。陀螺儀加速度計磁力計氣壓高度計數(shù)據(jù)采集部分主要由陀螺儀、加速度計、磁力計、氣壓高度計、超聲波傳感器等組成。陀螺儀陀螺儀主要用來測量無人機在飛行過程中俯仰角、橫滾角和偏航角的角速度，并根據(jù)角速度積分計算角度的改變，就能把無人機的角度的改變轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息被飛控計算機接收。在現(xiàn)在的民用無人機領(lǐng)域中，特別是小型、微型、無人機大面積應(yīng)用的陀螺儀是微電子機械陀螺儀（MEMSgyroscope）。微電子機械陀螺儀與其他陀螺儀相比，其測量精度較低，但是工藝簡單、便于大規(guī)模生產(chǎn)、成本較低。在無人機領(lǐng)域，一般都是經(jīng)過簡單封裝之后，作為MEMS模塊芯片集成到飛控機主電路板上，出廠前一般已經(jīng)完成了安裝、調(diào)試的工作。開源飛控上常用的型號有MPU6050三軸加速度計/陀螺儀和L3GD2016位陀螺儀.MPU-6050加速度計微型加速度計的理論基礎(chǔ)是牛頓第二定律，根據(jù)基本的物理原理，在一個系統(tǒng)內(nèi)部，速度是無法測量的，但卻可以測量其加速度。更準(zhǔn)確地說，測量的是飛行器某一個方向上的線性加速。通常情況下，飛行器三個自由度方向都需要設(shè)置加速度計，以便于同時采集三個方向的加速度，而現(xiàn)在一般采用集成的三軸加速度計，即可以同時測量三個方向的加速度值，使用非常便利。如果初速度已知，就可以通過積分計算出線速度，進而可以計算出直線位移。結(jié)合陀螺儀，就可以對物體進行精確定位。這種芯片式的電子加速度計重量輕、尺寸小，如圖4-2所示，可以直接嵌入到飛控主板上或與陀螺儀一起集成為IMU單元，多用于消費級無人機和工業(yè)級無人機使用，常用型號為LSM303D14位加速度計。MEMS加速度計磁力計磁力計（Magnetic、M-Sensor）也叫地磁、磁感器，可用于測試磁場強度和方向，定位設(shè)備的方位，磁力計的原理跟指南針原理類似，可以測量出當(dāng)前設(shè)備與東南西北四個方向上的夾角。在無人機上常常使用MEMS磁力計，常用的型號有LSM303D14位磁力計。MEMS磁力計氣壓高度計氣壓高度計是一種利用外界大氣壓強來測量無人機飛行高度的傳感器，在民用無人機領(lǐng)域，一般采用微型氣壓傳感器。氣壓高度計是通過感知外界大氣壓強來得到飛行高度的，所以測量出的高度是以標(biāo)準(zhǔn)大氣壓為基準(zhǔn)的修正海平面氣壓高度，也就是海拔高度。無人機常用的氣壓高度計型號為HP203B。氣壓高度計數(shù)據(jù)處理部分03數(shù)據(jù)處理部分主要指飛控計算機，以及飛控計算機預(yù)先拷入的該型號無人機飛控控制算法軟件。飛控計算機是飛行控制系統(tǒng)中必不可少的核心部件，是無人機的大腦，它通過運算控制代碼和讀取傳感器數(shù)據(jù)來實現(xiàn)對無人機姿態(tài)穩(wěn)定與控制、導(dǎo)航與制導(dǎo)控制、自主飛行控制、自動起飛及著陸控制等功能。在無人機中常用的芯片型號為168MHzCortexM4核心處理器，256KBRAM2MBFlash。飛控計算機執(zhí)行機構(gòu)04舵機執(zhí)行機構(gòu)主要指遍布無人機各個活動部件的舵機與電調(diào)，在安裝時遍布無人機機體各處，通過數(shù)據(jù)總線與飛控計算機連接，形成一個閉合的完整控制回路。

我們以舵機為例講解無人機的執(zhí)行機構(gòu)。

舵機是指在飛控系統(tǒng)中操縱飛機舵面（操縱面）轉(zhuǎn)動的一種執(zhí)行部件，通常分為電動舵機和液壓舵機。由于電動舵機體積小巧、重量輕，所以成為無人機飛控系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)的首選。舵機的組成電動舵機主要是由外殼、電路板、驅(qū)動電機、減速器與位置檢測元件所構(gòu)成。學(xué)習(xí)任務(wù)二

開源飛控的認(rèn)知1.掌握什么是開源飛控。2.掌握固件和硬件的區(qū)別。3.掌握PixHawk飛控的接口含義。4.自行了解更多的飛控。知識目標(biāo)常用的開源飛控01

開源(OpenSource)這個詞最早被應(yīng)用在軟件上，開放源代碼促進會(OpenSourceInitiative)用其描述那些源碼可以被公眾使用的軟件，并且此軟件的使用、修改和發(fā)行也不受許可證的限制。使用者可以下載、修改、上傳自己的成果，管理者會從眾多的修改中選擇合適的代碼改進程序并發(fā)布新版本，如此達(dá)到共同開發(fā)、共同進步的目的。常見的開源飛控開源飛控發(fā)展第一階段第二階段第三階段第三個階段的開源飛控系統(tǒng)將會在軟件和人工智能方面進行革新。它加入了集群飛行、圖像識別、自主避障、自動跟蹤飛行等高級飛行功能，向機器視覺、集群化、開發(fā)過程平臺化的方向發(fā)展。第二個階段的開源飛控系統(tǒng)大多擁有了自己的開源硬件、采用全集成的硬件架構(gòu)，使用數(shù)字三軸MEMS傳感器組成的IMU，能夠控制飛行器完成自主航線飛行，能加裝電臺與地面站進行通信，能支持多種無人設(shè)備，能以多種模式飛行，它們集成度高，可靠性高，已經(jīng)接近商業(yè)自動駕駛儀標(biāo)準(zhǔn)第一個階段的開源飛控系統(tǒng)使用Arduino或其他類似的開源電子平臺為基礎(chǔ)，擴展連接各種MEMS傳感器，其主要特點是模塊化和可擴展能力。目前人們常用的開源飛控有：APM、PIXHAWK、KK、F4、CC3D、MWC等。常見的開源飛控（a）APM飛控（b）PIX飛控PixHawk開源飛控的外觀與通信接口02接口學(xué)習(xí)任務(wù)三

空速計與飛行模式的認(rèn)知1.學(xué)習(xí)空速計的原理。2.掌握空速計在固定翼無人機上的作用。3.掌握空速計在固定翼上的安裝方法。4.了解固定翼無人機常用的飛行模式。知識目標(biāo)固定翼上的空速計01多旋翼無人機主要依靠多個旋翼帶來的升力進行飛行，而固定翼依靠機翼帶來的升力進行飛行，此升力由當(dāng)固定翼無人機運動時，與無人機相對的氣流流過機翼上下表面導(dǎo)致的流速不一致產(chǎn)生的壓力差形成。常用的空速計一般由金屬的空速管、硅膠的皮托管、空速計和相應(yīng)的I2C數(shù)據(jù)線四部分組成。空速計在安裝時，我們將空速傳感器放入飛機中時，并安裝皮托管套件。一般情況下，我們把空速管安裝在機頭方向，需要將管子頂部穿過機頭，使金屬空速管伸出才可以完全接觸到氣流，并且要注意空速管側(cè)面的孔沒有被堵塞，這些孔距離機頭至少伸出1厘米。然后將硅膠的皮托管連接到空速傳感器上，并在無人機內(nèi)部固定好，不要彎折，以免影響管內(nèi)氣流流動。如果你的固定翼無人機機頭有螺旋槳，則將空速管裝在機翼上，機翼中部以外的前緣位置即可，防止受到螺旋槳氣流的干擾?？账儆嫲惭b常用的飛行模式02FBWA和FBWBFBWA是在固定翼上最受歡迎的輔助飛行模式，也是新手練習(xí)的最佳模式。在這種模式下，固定翼飛行器將保持由控制桿指定的橫滾和俯仰。因此，如果您撥動副翼桿，則飛機保持指定的側(cè)傾限制LIM_ROLL_CD（以厘米為單位）及和縱傾限制LIM_PITCH_MAX/LIM_PITCH_MIN。需要注意的是控制水平不意味著飛機能控制高度，主要是由飛行速度（油門）控制，如果想要高度保持，需要用FBWB模式。FBWA油門是手動控制，輸出量范圍由THR_MIN和THR_MAX限制。在FBWA模式下，方向舵控制是手動換和飛控協(xié)調(diào)混控。FBWA類似于FBWA，但能夠定高。側(cè)傾和俯仰同F(xiàn)BWA模式，并利用油門控制空速。俯仰搖桿變化就會改變高度，放開后飛控試圖保持目前的高度。多大的水平角反應(yīng)依賴于FBWB_CLIMB_RATE參數(shù)，默認(rèn)為2米/秒。FBWB_ELEV_REV參數(shù)的默認(rèn)值是向后拉搖桿導(dǎo)致飛機攀升。如果設(shè)置為1，則動作會相反。如果裝了空速計，調(diào)整空速范圍ARSPD_FBW_MIN到ARSPD_FBW_MAX，當(dāng)油門最低時飛機將嘗試在ARSPD_FBW_MIN飛行。最高時它會嘗試在ARSPD_FBW_MAX飛行。FBWBRTL和Cruise在RTL模式下，飛機將返回到家的位置（假設(shè)它具有GPS鎖的飛機的起飛點），并在那里停留，直到手動控制（或者燃料用盡?。?。與AUTO模式一樣，您也可以使用搖桿與飛控自主控制混合控制飛機。RTL模式的目標(biāo)高度是使用以厘米為單位的ALT_HOLD_RTL參數(shù)設(shè)置的。RTL巡航模式有點像FLYBYWIRE_B（FBWB），但它有“航向鎖定”。這是遠(yuǎn)距離FPV飛行的理想模式，您可以將飛機指向遠(yuǎn)處的物體，并準(zhǔn)確地跟蹤該物體，自動控制高度，空速和航向。CruiseMANUAL